開発された直径3ミリのフォトニック結晶レーザー=京大提供
Photonic crystal laser: 高輝度・単一モード連続動作を実現！
un fonctionnement continu monomode haute luminosité !
einen Single-Mode-Dauerbetrieb mit hoher Helligkeit!
high-brightness single-mode continuous operation!
光子晶體激光器：實現高亮度單模連續工作！
－50～100W級の動作、輝度1GWcm-2sr-1を実現－
京都大学のプレスリリースからのレポート
京大電子工学専攻：野田進教授
研究グループが、フォトニック結晶レーザー（PCSEL）の連続動作状態で、「輝度を、1GWcm-2sr-1まで高めること」に成功しました。
Raycus社製またはIPG社製の大型レーザー機種
PCSELの輝度 は、CO2レーザー、固体レーザー、ファイバーレーザー等の大型レーザーに匹敵します。
PCSELの連続動作状態での輝度：
輝度の単位は、「面積、単位立体角当たりの光出力」として定義されます。
光加工を行うためには、「1GWcm-2sr-1の輝度を実現すること」が必要です。
1GWcm-2sr-1の輝度を実現：
研究グループは、小型、高効率、低コストのPCSELを作製、この問題を解決しました。
高輝度PCSELの成功は、他の分野にゲームチェンジをもたらします。
研究グループの発明：
1999年に高出力・高輝度動作可能という半導体レーザーPCSELを発明しました。
光波結合状態を精密制御：
最近、フォトニック結晶内部の光波結合状態を、精密に制御することに成功。
直径3mmのPCSEL：
「50～100W級の動作、輝度1GWcm-2sr-1を実現できること」を理論的に示しました。
さらに直径10mmのPCSELで、「一桁高い出力、輝度も可能なこと」も示しました。
高ビーム品質動作の実現：
連続動作で、50W単一モード・狭ビーム出射角（0.05°）・高ビーム品質動作を実現しました。
大型レーザーに匹敵する輝(1GWcm-2sr-1)を世界で初めて達成しました。
本成果は、6月14日（オンライン版、印刷版は6月22日）にNatureに掲載されます。
https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20230615
High-brightness scalable continuous-wave single-mode photonic-crystal laser
Here, we surmount these challenges by developing large-scale photonic-crystal surface-emitting lasers
with controlled Hermitian and non-Hermitian couplings inside the photonic crystal and a pre-installed spatial distribution of the lattice constant,which maintains these couplings even under CW conditions.
A CW output power exceeding 50 W with purely single-mode oscillation and an exceptionally narrow beam divergence of 0.05° has been achieved
for photonic-crystal surface-emitting lasers with a large resonant diameter of 3 mm, corresponding to over 10,000 wavelengths in the material.
The brightness, a figure of merit encapsulating both output power and beam quality,
reaches 1 GW cm−2 sr−1, which rivals those of existing bulky lasers.
Our work is an important milestone toward the advent of single-mode 1-kW-class semiconductor lasers,
which are expected to replace conventional, bulkier lasers in the near future.
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06059-8
Laser à cristal photonique développé avec un diamètre de 3 mm. (Fourni par l’Université de Kyoto)
Laser à cristal photonique : réalise un fonctionnement continu monomode haute luminosité !
－Atteint un fonctionnement de classe 50 à 100W et une luminance de 1GWcm-2sr-1－
Rapport du communiqué de presse de l’Université de Kyoto
Département de génie électronique, Université de Kyoto : Professeur Susumu Noda
Un groupe de recherche a réussi à “augmenter la luminosité à 1 GWcm-2sr-1” dans l’état de fonctionnement continu d’un laser à cristal photonique (PCSEL).
Grands modèles laser de Raycus ou IPG
La luminosité du PCSEL est comparable à celle des grands lasers tels que les lasers CO2, les lasers à semi-conducteurs et les lasers à fibre.
Luminance en fonctionnement continu PCSEL :
Les unités de luminance sont définies comme “surface, puissance lumineuse par unité d’angle solide”.
Pour effectuer un traitement optique, il faut “atteindre une luminosité de 1 GWcm-2sr-1″.
Atteindre une luminance de 1GWcm-2sr-1 :
Le groupe de recherche a résolu ce problème en fabriquant un PCSEL compact, à haut rendement et à faible coût.
Le succès des PCSEL à haute luminosité changera la donne dans d’autres domaines.
Inventions du groupe de recherche :
En 1999, il a inventé le laser à semi-conducteur PCSEL, qui est capable d’un fonctionnement à haut rendement et à haute luminosité.
Contrôle précis de l’état de couplage des ondes lumineuses :
Récemment, nous avons réussi à contrôler précisément l’état de couplage des ondes optiques à l’intérieur du cristal photonique.
Un PCSEL de diamètre 3 mm :
Nous avons théoriquement démontré qu'”un fonctionnement de classe 50 à 100W et une luminosité de 1GWcm-2sr-1 peuvent être atteints”.
De plus, nous avons démontré qu’un PCSEL d’un diamètre de 10 mm peut atteindre un rendement et une luminosité supérieurs à un chiffre.
Réalisation d’un fonctionnement de haute qualité avec les feux de route :
En fonctionnement continu, un mode monomode de 50 W, un angle de sortie de faisceau étroit (0,05°) et un fonctionnement de qualité de faisceau élevé sont réalisés.
Atteint la première brillance au monde (1GWcm-2sr-1) comparable aux grands lasers.
Ce résultat sera publié dans Nature le 14 juin (version en ligne, version papier le 22 juin).
https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20230615
Entwickelter photonischer Kristalllaser mit einem Durchmesser von 3 mm. (Bereitgestellt von der Universität Kyoto)
Photonischer Kristalllaser: Ermöglicht einen Single-Mode-Dauerbetrieb mit hoher Helligkeit!
－Erreicht einen Betrieb der Klasse 50 bis 100 W und eine Leuchtdichte von 1 GWcm-2sr-1－
Bericht aus der Pressemitteilung der Universität Kyoto
Abteilung für Elektrotechnik, Universität Kyoto: Professor Susumu Noda
Einer Forschungsgruppe ist es gelungen, im Dauerbetriebszustand eines photonischen Kristalllasers (PCSEL) „die Helligkeit auf 1 GWcm-2sr-1 zu steigern“.
Große Lasermodelle von Raycus oder IPG
Die Helligkeit von PCSEL ist vergleichbar mit großen Lasern wie CO2-Lasern, Festkörperlasern und Faserlasern.
Leuchtdichte im PCSEL-Dauerbetrieb:
Leuchtdichteeinheiten sind definiert als „Fläche, Lichtleistung pro Raumwinkeleinheit“.
Um eine optische Verarbeitung durchführen zu können, muss „eine Helligkeit von 1 GWcm-2sr-1 erreicht“ werden.
Erreichen einer Leuchtdichte von 1GWcm-2sr-1:
Die Forschungsgruppe hat dieses Problem durch die Herstellung eines kompakten, hocheffizienten und kostengünstigen PCSEL gelöst.
Der Erfolg von PCSELs mit hoher Helligkeit wird in anderen Bereichen bahnbrechend sein.
Erfindungen der Forschungsgruppe:
1999 erfand er den Halbleiterlaser PCSEL, der eine hohe Leistung und hohe Helligkeit ermöglicht.
Präzise Steuerung des Lichtwellenkopplungszustands:
Kürzlich ist es uns gelungen, den Kopplungszustand der optischen Wellen innerhalb des photonischen Kristalls präzise zu steuern.
Ein PCSEL mit einem Durchmesser von 3 mm:
Wir haben theoretisch gezeigt, dass „ein Betrieb der 50- bis 100-W-Klasse und eine Helligkeit von 1 GWcm-2sr-1 erreicht werden können.“
Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass ein PCSEL mit einem Durchmesser von 10 mm eine einstellige höhere Leistung und Helligkeit erreichen kann.
Erreichen einer hohen Strahlqualität:
Im Dauerbetrieb werden ein 50-W-Einzelmodus, ein schmaler Strahlausgangswinkel (0,05°) und ein Betrieb mit hoher Strahlqualität realisiert.
Erreicht die weltweit erste Brillanz (1GWcm-2sr-1), vergleichbar mit großen Lasern.
Dieses Ergebnis wird am 14. Juni in Nature veröffentlicht (Online-Version, Druckversion am 22. Juni).
https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20230615